Konstrukcja i charakterystyka mieszalnika z mieszadłem wibracyjno

Prosimy cytować jako: Inż. Ap. Chem. 2010, 49, 3, 55-56
INŻYNIERIA I APARATURA CHEMICZNA
Nr 3/2010
str. 55
Marian KORDAS
e-mail: [email protected]
Wydział Technologii i Inżynierii Chemicznej, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny, Szczecin
Konstrukcja i charakterystyka mieszalnika z mieszadłem wibracyjno-obrotowym
Wstęp
Proces mieszania wykorzystywany jest w przemyśle chemicznym,
przemysłach pokrewnych, biotechnologii oraz w życiu codziennym.
Mieszanie może zachodzić samorzutnie na drodze dyfuzji bądź w sposób wymuszony np. za pomocą mieszadeł mechanicznych. Proces mieszania może wywołać zarówno efekty korzystne jak i szkodliwe względem oczekiwanych rezultatów [1].
W szczególnym przypadku, gdy mieszanie mechaniczne jest zbyt intensywne, wówczas występujące w płynie duże naprężenia ścinające
mogą niekorzystnie wpływać na żywe kultury (mikroorganizmy, grzyby) powodując małą wydajność hodowli [2].
Konstrukcja mieszadła oraz jego usytuowanie, a także jego geometria w znacznej mierze decyduje o przebiegu procesu mieszania oraz
uzyskanych efektach [3].
W procesie mieszania mechanicznego płynów najczęściej stosowane
są mieszalniki zaopatrzone w mieszadła wykonujące ruch obrotowy lub
ruchy posuwisto-zwrotne (wibracyjne). Mieszalniki wibracyjne charakteryzują się znacznie mniejszą energochłonnością przy zachowaniu
niskich wartości naprężeń ścinających w porównaniu z mieszadłami obrotowymi. Pojedyncze mieszadło zazwyczaj zdolne jest zapewnić odpowiednią hydrodynamikę jedynie w ograniczonej objętości wsadu aparatu. W przypadku mieszadeł wykonujących ruchy posuwisto-zwrotne
strefa bezpośredniej penetracji przez mieszadło możne być regulowana
przez zmienię amplitudy pracy. Dla mieszadeł obrotowych zwiększenie
strefy intensywnego mieszania realizuje się zazwyczaj poprzez zwiększenie częstości obrotów mieszadła, montowanie wielu mieszadeł na
wspólnym wale lub wprowadzaniu kilku mieszadeł w obrębie jednego
mieszalnika. Znane są również konstrukcje w których typowe mieszadło
obrotowe wprawiane jest jednocześnie w ruch posuwisto-zwrotny i obrotowy [4]. Zwykle rozszerzenie zasięgu obszaru intensywnego mieszania poprzez zwiększenie częstości obrotów mieszadła związane jest
z wytworzeniem zróżnicowanej hydrodynamiki we wsadzie aparatu,
oraz zwiększeniem energochłonności prowadzonego procesu [5].
W prezentowanej pracy przedstawiono nowe rozwiązanie mieszalnika z mieszadłem dynamicznie zmieniającym konfigurację geometryczną w ruchu posuwisto-zwrotnym. Mieszadło to wprawiane jest również
w ruch obrotowy. Rozwiązanie to łączy zalety konstrukcji mieszadeł
obrotowych oraz wibracyjnych w zakresie niskich częstości pracy mieszadła. Rozwiązanie konstrukcyjne mieszalnika przedstawione w pracy
jest jednym z możliwych wariantów jego wykonania.
Z uwagi na specyficzną budowę i zasadę działania zastosowane mieszadło w mieszalniku wibracyjno-obrotowym wymaga odrębnego omówienia.
Rys. 1. Elementarny moduł mieszający z łopatką: 1 – piasta górna, 2 – piasta dolna,
3 – łącznik, 4 – ramię, 5 – łopatka, 6,7,8 – zawias, 9,10 – wał
Jeżeli kolejny elementarny moduł obrócony jest o 180o względem
poprzedniego w osi mieszadła uzyskamy układ łopatek przedstawiony
na rys. 2. W układzie tym zmiana odległości piast wywoła wychylenie
ramion w tym samym kierunku.
Rys. 2. Dwa moduły mieszające obrócone o 180o względem siebie w osi mieszadła
Jeżeli elementarny moduł obrócony jest o 90o (względem konstrukcji
przedstawionej na rys. 1) w osi prostopadłej do osi mieszadła uzyskamy
układ łopatek przedstawiony na rys. 3. W układzie tym zmiana odległości piast wywoła wychylenie ramion w przeciwnych kierunkach.
Konstrukcja i działanie mieszadła wibracyjno-obrotowego
Budowę elementarnego modułu mieszającego przedstawiono na
rys. 1. Konstrukcja mieszadła musi zawierać co najmniej jeden elementarny moduł mieszający składający się z ruchomych elementów
– 3–5 połączonych zawiasami – 6–8. Każda z piast – 1, 2 zamocowana jest do odrębnych wałów (9, 10). Zmiana odległości pomiędzy
piastami – 1, 2 wywołuje wychylenie ramienia – 4 wraz z osadzoną łopatką – 5. Konsekwencją wychylenia ramienia – 4 jest zmiana geometrii mieszadła oraz obszaru jego oddziaływania w przestrzeni mieszalnika. Elementarne moduły mieszające można łączyć
i obracać uzyskując inne konfiguracje mieszadła.
Rys. 3. Dwa moduły mieszające obrócone względem siebie o 90o
w osi prostopadłej do osi mieszadła
Prosimy cytować jako: Inż. Ap. Chem. 2010, 49, 3, 55-56
INŻYNIERIA I APARATURA CHEMICZNA
str. 56
Istnieje możliwość budowania układów złożonych z więcej niż
dwóch piast mieszadła usytuowanych w osi wałów mieszadła. Przykład
takiej konstrukcji przedstawiono na rys. 4.
Nr 3/2010
Na rys. 6 przedstawiono konstrukcję mieszalnika. Wewnątrz cylindrycznego zbiornika – 6 zamontowano mieszadło przedstawione na
rys. 5. Mieszadło zamontowane jest w ten sposób, że dolna piasta mieszadła – 3 może wykonywać wyłącznie ruch obrotowy na wale – 9, który jest trwale połączony z dnem zbiornika – 6. Natomiast górna piasta
mieszadła – 5 połączona jest trwale z wałem – 9, który wprawiany jest
w ruch obrotowy silnikiem prądu stałego – 10. Ruch posuwisto-zwrotny
uzyskany jest w wyniku przełożenia ruchu obrotowego przekładnią –
11. Zbiornik wyposażono również w pionowe przegrody – 8 na całej
wysokości zapobiegające tworzeniu się leja. Wylot – 7 z mieszalnika
usytuowano w górnej jego części zbiornika. Zbiornik – 6 wyposażono
również w płaszcz umożliwiający realizację procesów wymiany ciepła.
Rys. 4. Konstrukcja mieszadła z trzema piastami
Konstrukcja i działanie mieszalnika z mieszadłem
wibracyjno-obrotowym
Opracowana konstrukcja mieszalnika z mieszadłem wibracyjnoobrotowym ma spełniać następujące wymagania:
– uzyskiwać możliwie równomierną hydrodynamikę we wsadzie mieszalnika,
– uzyskiwać niskie wartości naprężeń ścinających,
– generować promieniowo-osiowy przepływ cieczy (w ruchu posuwistozwrotnym) oraz obwodowy ruch cieczy (w ruchu obrotowym),
– pracować w ruchu: obrotowym, posuwisto-zwrotnym (wibracyjnym)
lub jednocześnie obrotowym i posuwisto-zwrotnym,
Do konstrukcji mieszalnika użyto mieszadła składającego się z ośmiu
elementarnych modułów mieszających. Konfigurację zastosowanego
mieszadła uzyskano przez czterokrotne symetryczne powielenie układu
modułów mieszających przedstawionych na rys. 3. Konstrukcję mieszadła sprzężonych wzajemnie ośmiu modułów mieszających przedstawiono na rys. 5. Mieszadło podczas pracy w ruchu posuwisto-zwrotnym dynamicznie zmienia swoją konfigurację geometryczną. Zmiana ta
wywołana jest przez okresowe oddalanie lub zbliżane piast mieszadła.
Mieszadło może pracować również wyłącznie w ruchu obrotowym przy
dowolnie nastawionej konfiguracji geometrycznej pomiędzy konfiguracjami X, O (Rys. 5).
a)
b)
c)
Rys. 6. Mieszalnik z mieszadłem wibracyjno-obrotowym; 1 – wlot, 2 – wał, 3 – dolna
piasta mieszadła, 4 – obszar bezpośredniej penetracji przez mieszadło, 5 – górna piasta
mieszadła, 6 – płaszcz, 7 – wylot, 8 – przegroda, 9 – wał, 10 – silnik, 11 – mimośród,
12 – przemiennik częstotliwości, 13 – zasilacz
Podsumowanie
Zaproponowano i wykonano prototypową konstrukcję mieszadła
oraz mieszalnika z mieszadłem wibracyjno-obrotowym służącą do mieszania płynów. Sterowanie ruchem obrotowym oraz posuwisto-zwrotnym odbywa się niezależnie. Możliwe jest regulowanie czasu trwania
poszczególnych faz okresowych zmian konfiguracji geometrycznej
mieszadła wywołanej ruchem posuwisto-zwrotnym. Częstość obrotów,
może być zależna od konfiguracji geometrycznej mieszadła. Proponowane rozwiązanie konstrukcyjne mieszalnika może być przeznaczone
do intensyfikacji procesów w przemyśle chemicznym, spożywczym
oraz biotechnologii. Rozwiązanie konstrukcyjne mieszadła oraz mieszalnika opracowano w formie zgłoszeń patentowych [6, 7].
LITERATURA
Rys. 5. Układ ramion mieszadła złożonego z ośmiu elementarnych modułów wywołany zmianą odległości pomiędzy piastami mieszadła: a) piasty maksymalnie zbliżone (konfiguracja X, b) piasty w pośrednim oddaleniu (konfiguracja =),
c) piasty maksymalnie oddalone (konfiguracja O)
[1] F. Stręki: Mieszanie i mieszalniki. WNT, Warszawa 1981.
[2] U.E.Viesturs, I.A. Szmite: Biotechnologia. Substancje biologiczne czynne,
technologia, aparatura. WNT, Warszawa 1992.
[3] J. Kamieński: Mieszanie układów wielofazowych. WNT, Warszawa 2004.
[4] Kato Sei: Liquid Stirling apparatus. US 4169681.
[5] S. Masiuk, R. Rakoczy, M. Kordas.: Chem. Eng. Process. 47, 1258 (2008).
[6] M. Kordas, S. Masiuk, R. Rakoczy, E Murdzia: Mieszadło do płynów, zgłoszenie patentowe P-387752.
[7] M. Kordas, S. Masiuk, R. Rakoczy, E Murdzia: Mieszalnik do mieszania płynów, zgłoszenie patentowe P-387752.